Интерференционные опыты по методу деления волнового фронта . <...> Интерференционные полосы равного наклона в тонких пленках . <...> Интерференционные полосы равной толщины в тонких пленках . <...> Дифракция Фраунгофера на круглом отверстии (дифракция в параллельных лучах) . <...> Геометрическая оптика, не рассматривая вопрос о природе света, исходит из эмпирических законов его распространения и использует представление о световых лучах, преломляющихся и отражающихся на границах сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородной среде. <...> Эти значения однозначно опре деляют показатель преломления среды: n = √⎯ . <...> Однако во многих случаях, особенно при больших интенсивностях световых по токов, это предположение несправедливо: показатель преломления за висит от напряженности поля световой волны (нелинейная поляризуе мость вещества). <...> Движением световых частиц через эфир переменной плотности и их взаимодействием с ма териальными телами, по Ньютону, обусловлены преломление и отра жение света, цвета тонких пленок, дифракция света и его дисперсия. <...> Опи раясь на этот принцип, Френель поновому истолковал принцип Гюй 15 генса, дал удовлетворительное волновое объяснение прямолинейности распространения света и объяснил многочисленные дифракционные явления. <...> Это дало основания высказать идею о поперечности световых коле баний, исходя из которой Френель построил теорию кристаллооптиче ских явлений. <...> Первым указанием на непосредственную связь электромагнетизма с оптикой было открытие Фарадеем (1848 г.) вращения плоскости поля ризации света в магнитом поле (эффект Фарадея). <...> В основу формального построения по следней можно положить четыре закона, установленных опытным путем: 1) закон прямолинейного распространения света; 2) закон независимости световых лучей; 3) закон отражения; 4) закон преломления света. <...> 22 λ Геометрическая оптика является предельным случаем волновой оптики <...>
Физика._Оптика.pdf
УДК 53(075.8+535)
ББК 22.34я73
Т98
Тюрин Ю.И.
Т98
Физика. Оптика: учебник / Ю.И. Тюрин, И.П. Чернов,
Ю.Ю. Крючков. – Томск: Издво Томского политехнического
университета, 2009. – 240 с.
ISBN 5982984345
Учебник, классический по построению и содержанию, представляет курс
лекций по физике, направленный на выработку у студентов практических навы
ков использования фундаментальных физических законов для решения профес
сиональных задач. Основное внимание уделено раскрытию физического смысла
геометрической и волновой оптики, поляризации света, современному научному,
практическому и технологическому применению оптических явлений.
Разработан в рамках реализации Инновационной образовательной про
граммы ТПУ по направлению «Технологии водородной энергетики, энергосбе
режение и возобновляемые источники энергии» и предназначен для преподава
телей, студентов, бакалавров и магистров технических университетов.
УДК 53(075.8+535)
ББК 22.34я73
Рецензенты
Доктор физикоматематических наук, профессор
зав. кафедрой общей и экспериментальной физики ТГУ
В.П. Демкин
Доктор физикоматематических наук, профессор
зав. кафедрой прикладной и теоретической физики НГТУ
В.Г. Дубровский
Академик РАН
главный научный сотрудник Института теплофизики СО РАН
В.Е. Накоряков
ISBN 5982984345 © ГОУ ВПО «Томский политехнический
университет», 2009
© Тюрин Ю.И., Чернов И.П., Крючков Ю.Ю., 2009
© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2009
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
1. РАЗВИТИЕ ОПТИКИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
2. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
2.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
2.2. Принцип наименьшего времени Ферма в геометрической оптике . . .22
2.3. Законы геометрической оптики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
2.3.1. Прямолинейное распространение света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
2.3.2. Независимость световых лучей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
2.3.3. Отражение света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
2.3.4. Преломление света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
2.4. Применения принципа Ферма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
2.5. Фокусное расстояние сферической поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
2.6. Сферическое зеркало . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
2.7. Призма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51
2.8. Фокусное расстояние линзы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
2.9. Увеличение линзы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
2.10. Рассеивающие линзы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
2.11. Простейшие оптические системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
2.11.1. Лупа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
2.11.2. Очки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
2.11.3. Фотоаппарат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59
2.11.4. Микроскоп и телескоп . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
2.12. Основные погрешности оптической системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
2.13. Разрешающая способность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
2.14. Активная оптика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
Основные выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
Упражнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
3. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
3.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
3.2. Принцип Гюйгенса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
3.3. Интерференция волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
3.3.1. Стоячие волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
3.3.2. Стоячие волны на струне . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88
3.3.3. Интерференция волн, излучаемых двумя
точечными источниками . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
3.3.4. Два дипольных излучателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92
3
Стр.3
3.4. Когерентность и некогерентность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94
3.5. Интерферометрия интенсивности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96
3.6. Интерференция света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99
3.6.1. Интерференционные опыты
по методу деления волнового фронта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99
3.6.2. Опыт Юнга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100
3.6.3. Зеркала Френеля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102
3.6.4. Бипризма Френеля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
3.6.5. Билинза Бийе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
3.7. Деление амплитуды. Локализация интерференционных полос . . . . .104
3.7.1. Интерференционные полосы равного
наклона в тонких пленках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105
3.7.2. Интерференционные полосы равной
толщины в тонких пленках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107
3.7.3. Опыт Поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
3.7.4. Интерферометр Майкельсона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
3.7.5. Кольца Ньютона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113
3.8. Двухлучевые интерферометры. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . .114
3.8.1. Интерферометр Рэлея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
3.8.2. Интерферометр Жамена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
3.8.3. Интерферометр Рождественского . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117
3.9. Многолучевая интерференция. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . .120
3.9.1. Схема интерферометра Фабри–Перо . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
3.10. Нестационарная интерференция света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126
3.11. «Просветление» оптики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127
Основные выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128
Упражнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130
4. ДИФРАКЦИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
4.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
4.2. Поле N одинаковых осцилляторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140
4.3. Дифракция на отдельной щели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144
4.4. Дифракционная решётка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146
4.5. Дисперсия дифракционной решётки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152
4.6. Разрешающая способность дифракционной решётки . . . . . . . . . . . . .153
4.7. Дифракция Френеля. Зоны Френеля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .156
4.8. Дифракция Фраунгофера на круглом отверстии
(дифракция в параллельных лучах) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
4.9. Оптические приборы и их разрешающая способность . . . . . . . . . . . . .162
4.10. Дифракционное рассеяние . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .167
4.11. Голография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171
4.12. Дифракция рентгеновских лучей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175
Основные выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
Упражнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181
4
Стр.4
5. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .185
5.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .185
5.2. Виды поляризации световых волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186
5.3. Поляризаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .195
5.4. Закон Малюса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199
5.5. Поляризация при отражении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .204
5.6. Поляризация рассеянного света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
5.7. Двойное лучепреломление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
5.8. Оптическая активность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217
5.9. Интерференция поляризованных лучей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220
5.10. Эффект Керра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
5.11. Эффект Фарадея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225
5.12. Поляризационные устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227
5.13. Жидкокристаллические мониторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .230
Основные выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .235
Упражнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .238
5
Стр.5